Tragverhalten von Faserbeton

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Das Tragverhalten von kurfaserverstärktem Beton und textilfaserverstärktem Beton ist grundsätzlich zu unterscheiden. Da die Faserverstärkung in erster Linie die Funktion der Bewehrung der Matrix übernehmen soll, steht das Biegtragverhalten im Fokus.

Faserbeton

Die Wirkung von Kurzfasern im Beton beschränkt sich hauptsächlich auf das Tragverhalten nach der ersten Rissbildung. Dabei wird das Werkstoffverhalten von kurzfaserverstärktem Beton im Wesentlichen durch folgende Faktoren beeinflusst.

–        Faserfestigkeit

–        Verbund zwischen Faser und Matrix

–        Faseranordnung

–        Fasergehalt

–        Faserlänge

Bei Auftritt des ersten Risses unter Biegebeanspruchung wird der Querschnitt verkleinert. Der Kräfteabtrag muss nun über das entstandene Rissufer von den rissquerenden Fasern übernommen werden. Bei weiterer Steigerung der Belastung und zunehmender Rissöffnung werden die Fasern, bis zum Erreichen ihrer Zugfestigkeit, aus der Betonmatrix ausgezogen. Das Ausziehverhalten wird in die Phasen der Faseraktivierung und des Faserauszugs aufgeteilt. Ist die maximale Faserspannung erreicht ist die Faseraktivierung abgeschlossen und die Fasern werden allmählich ausgezogen. Beim Auszug der Fasern wird Arbeit verrichtet, was dazu führt, dass im Vergleich zu nicht-verstärktem Beton bis zum Bruch eine erhöhte Menge an Energie aufgenommen werden kann. Dadurch erreicht der Werkstoff eine erhöhte Nachrissfestigkeit.

In erster Linie hängt das Tragverhalten von faserverstärktem Beton von dem Verbund zwischen Faser und Matrix ab. Je besser der Verbund, desto mehr Arbeit kann beim Auszug der Fasern verrichtet werden, wodurch höhere Belastungen abgetragen werden können. Der Verbund hängt im Wesentlichen von der Art der Fasern und der Betonzusammensetzung ab.

Weiter ist das Trageverhalten von faserverstärkten Betonen von der Anordnung der Fasern im Beton abhängig. Die Ausrichtung der Fasern erfolgt je nach Herstellungsverfahren zumindest zweidimensional willkürlich. Liegen die Fasern genau in Zugrichtung, werden die Kräfte am effizientesten abgetragen, wohingegen sie bei senkrechter Lage zur Zugrichtung keine Wirkung haben. Da der Realitätszustand zwischen diesen beiden Extremen liegt, ist eine große Streuung der Versuchsergebnisse zu erwarten.

Auch der Fasergehalt  beeinflusst das Werkstoffverhalten wesentlich.  Um einen erhöhten Biegewiderstand zu erreichen, muss der kritische Fasergehalt erreicht werden. Er liegt in der Regel zwischen 1 Vol.-% und 5 Vol.-% und kann experimentell bestimmt werden. Der kritische Fasergehalt ist erreicht, wenn im Spannungs-Dehnungsdiagramm unter Biegebeanspruchung wie in Abb. 1 nach Erreichen der Maximallast weitere Dehnungen aufgenommen werden können.

Textilbeton

Im Gegensatz zu kurzfaserverstärkten Betonen zeichnen sich textilfaserverstärkte Betone durch eine durch eine deutlich größere Duktilität aus. Die Zugkräfte werden nach der ersten Rissbildung über den Verbund von der Betonmatrix auf das Textil übertragen und fungieren somit analog zu herkömmlicher Stahlbewehrung. Durch die größere Fläche und die engere Maschenweite des Textils werden jedoch bedeutend bessere Verbundeigenschaften zwischen Betonmatrix und Textil erreicht und der Verbundwerkstoff somit optimal ausgenutzt.

Textilverstärkte Betone können unter Biegebeanspruchung auch nach der ersten Rissbildung bei weiterer Verformungszunahme zusätzliche Lasten aufnehmen wie in Abb. 2 im Spannungs-Dehnungsdiagramm dargestellt. Aufgrund der festen Verankerung des Textils im Beton findet jedoch kein Auszug der Fasern statt. Deswegen kommt es beim Überschreiten der maximalen Zugfestigkeit des Textils zu einem spröden Versagen ohne Ankündigung, was auch in Abb. 2 zu erkennen ist.

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